DE3033109A1 - METHOD FOR PRODUCING PHOSPHOROXIDE OXIDE USING THE REACTION HEAT - Google Patents
METHOD FOR PRODUCING PHOSPHOROXIDE OXIDE USING THE REACTION HEATInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentoxid durch Verbrennen von elementarem Phosphor •mit Hilfe von Luft unter Ausnutzung der Reaktionswärme zur Gewinnung von Energie.The invention relates to a method for producing phosphorus pentoxide by burning elemental phosphorus • with the help of air using the heat of reaction to generate energy.
Es ist nach der DE-PS 1 300 527 bekannt, Phosphorpentoxid · und Polyphosphorsäure durch Oxidation von gelbem Phosphor und Absorption von PpOj- .in Polyphosphorsäure herzustellen, wobei man zur gleichzeitigen Herstellung von festem, hexagonalem PpOc und· Polyphosphorsäure in einer ersten Reaktionszone, deren Wände auf Temperaturen unterhalb 150° C, vorzugsweise unterhalb 100° C, gekühlt sind, geschmolzenen, elementaren Phosphor mit einem molekularen Sauerstoff enthaltenden Gas im oberen Teil der Reaktionszone verbrennt, einen Teil des gasförmig anfallenden P2O5 in der Reaktionszone kondensiert, das feste P2Oe aus dem unteren Teil der. Reaktionszone austrägt und die die Reaktionszone verlassenden und nicht abgeschiedenes P2 0K enthaltenden Abgase einer, zweiten Reaktionszone zuführt, in welcher man zur Herste!-, lung von Polyphosphorsäure in bekannter Weise eine PoIyphosphorsäure, die einen geringeren Gehalt an'P2O5 als die als Endprodukt gewünschte Polyphosphorsäure aufweist, im Kreislauf führt und darin das in den Abgasen der ersten : It is known from DE-PS 1 300 527 to produce phosphorus pentoxide and polyphosphoric acid by oxidation of yellow phosphorus and absorption of PpOj- .in polyphosphoric acid, whereby for the simultaneous production of solid, hexagonal PpOc and polyphosphoric acid in a first reaction zone, their Walls are cooled to temperatures below 150 ° C, preferably below 100 ° C, melted, elemental phosphorus burns with a molecular oxygen-containing gas in the upper part of the reaction zone, part of the gaseous P 2 O 5 condenses in the reaction zone, the solid P 2 Oe from the lower part of the. The reaction zone discharges and the exhaust gases leaving the reaction zone and containing not separated P 2 0 K are fed to a second reaction zone in which, for the production of polyphosphoric acid, a polyphosphoric acid which has a lower content of P 2 O 5 than contains the desired polyphosphoric acid as the end product, circulates and therein that in the exhaust gases of the first :
Reaktionszone enthaltene Po0c absorbiert.Reaction zone contained P o 0 c absorbed.
2 52 5
COpY . ORiGiMAL INSPECTED COpY . ORiGiMAL INSPECTED
3 33 3
Vorbeschriebener Prozeß der Verbrennung von gelbem Phosphor in Gegenwart von überschüssiger Luft ist bekanntlich stark exotherm, wobei eine Wärmemenge von 5813 Kcal, entsprechend 24 233 KJ pro kg verbrannten Phosphors frei-. 5 gesetzt wird, die durch intensive Kühlung der Wände des Verbrennungsraumes auf Temperaturen unterhalb 100° C möglichst schnell abgeführt werden muß. Eine besondere Schwierigkeit liegt hierbei in der richtigen Werkstoffauswahl für die Verbrennungskammer, in der die Phosphor-.The above-described process of burning yellow phosphorus in the presence of excess air is known strongly exothermic, with an amount of heat of 5813 Kcal, corresponding to 24 233 KJ per kg of phosphorus burned free. 5 is set, which is achieved by intensive cooling of the walls of the combustion chamber to temperatures below 100 ° C must be removed as quickly as possible. A particular difficulty lies in choosing the right material for the combustion chamber, in which the phosphorus.
oxidation durchgeführt wird.,. Die hohe Flammentemperatur, die Anwesenheit von Sauerstoff, die hohe Aggressivität sowohl der heißen Phosphorpentoxiddämpfe als auch des Phosphorsäurenebels, der aus dem -Phosphorp ent oxid und dem in" der Luft bzw. im Sauerstoff enthaltenen Wasserdampf gebildet wird, verursachen eine sehr starke Korrosion an der Innenwand der Verbrennungskammer. Das Korrosionsproblem ist verständlicherweise umso gravierender, je höher die Kühltemperatur in den Kühlelementen der Verbrennungskammer gewählt wird. Insofern war es bisher' nicht möglich, die bei der Verbrennung von gelbem Phosphor in überschüssiger Luft anfallende Reaktionswärme einer weiteren technischen Nutzung zuzuführen, vielmehr mußten die auftretenden Wärmemengen unter Aufwendung erheblicher Kühlwassermengen nutzlos abgeführt werden.oxidation is carried out.,. The high flame temperature, the presence of oxygen, the high aggressiveness of both the hot phosphorus pentoxide vapors and the Phosphoric acid mist, the oxide from the phosphorus and the water vapor contained in "the air or oxygen will cause very severe corrosion on the inner wall of the combustion chamber. The corrosion problem is understandably more serious, the higher the cooling temperature in the cooling elements of the Combustion chamber is selected. In this respect, it has not been possible until now to reduce the incineration of yellow phosphorus To supply the heat of reaction occurring in excess air to a further technical use, rather the resulting amounts of heat had to be dissipated uselessly using considerable amounts of cooling water.
Das Probelm der Rückgewinnung und Nutzbarmachung der • bei der Verbrennung von gelbem Phosphor mit Luft entstehenden Reaktionswärme wird in der Literatur bereits von A.D.. Mikhailin und Mitarbeitern in "The Soviet Chemical Industry 5", Nr. 7, July 1973 diskutiert, und dabei auf die Korrosionsgefahr der dem Verbrennungsprozeß ausgesetzten Werkstoffe verwiesen. Selbst hochwertige Spezialedelstähle auf Nickelbasis wurden hierbei auf Dauer als nicht geeignet erkannt. ·The problem of recovering and utilizing the • The heat of reaction arising from the combustion of yellow phosphorus with air is already mentioned in the literature discussed by A.D .. Mikhailin et al. in "The Soviet Chemical Industry 5", No. 7, July 1973, and reference is made to the risk of corrosion of the materials exposed to the combustion process. Even high-quality special nickel-based stainless steels were recognized as unsuitable in the long term. ·
QOPY ORIGINAL INSPECTEDQOPY ORIGINAL INSPECTED
Es wurde nunmehr gefunden, daß die Herstellung von Phos-—-'- —phorpentoxid durch Verbrennung von gelbem Phosphor mit Luft unter Rückgewinnung der Reaktionswärme und unter Überwindung bekannter Korrosionsprobleme ohne Schwierigkeiten betrieben werden kann, wenn man das Verfahren unter bestimmten Bedingungen durchführt.It has now been found that the production of Phos -—-'- - phosphorus pentoxide by burning yellow phosphorus with air with recovery of the heat of reaction and under Overcoming known corrosion problems can be operated without difficulty if one uses the method performs under certain conditions.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur : Herstellung von elementarem Phosphor mit Hilfe von Luft unter. Ausnutzung der Reaktionswärme zur Energiegewinnung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Phosphorverbrennung mit getrockneter Luft mit einem Wassergehalt· von 5 bis 0,01 g/nr Luft in einer Verbrennungskammer durchführt,, deren metallische Wände zu einem Hohlräume äufwei-•15 senden Kühlsystem ausgebildet sind, wobei in dem Kühlsystem eine als Wärmeträger für die Reaktionswärme geeignete Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeits-Dampfgemisch unter Erwärmung auf Temperaturen von über 150 - 500° C bei Drücken von 1-150 bar im Kreislauf geführt wird; daß man den im Kühlsystem entstandenen Dampf aus letzterem kontinuierlich abzieht und durch eine äquivalente Menge frischer Flüssigkeit ersetzt, und daß man die aus der Verbrennungskammer entweichenden heißen PpOc-Dämpfe kondensiert oder zu Folgeprodukten weiterverarbeitet. 25The invention thus provides a method for : Production of elemental phosphorus with the aid of air under. Utilization of the heat of reaction to generate energy, which is characterized in that the phosphorus combustion is carried out with dried air with a water content of 5 to 0.01 g / nr air in a combustion chamber, the metal walls of which form a cooling system which expands into cavities are formed, wherein a liquid suitable as a heat carrier for the heat of reaction or a liquid-vapor mixture is circulated in the cooling system while being heated to temperatures of over 150-500 ° C. at pressures of 1-150 bar; that the vapor generated in the cooling system is continuously withdrawn from the latter and replaced by an equivalent amount of fresh liquid, and that the hot PpOc vapors escaping from the combustion chamber are condensed or processed into secondary products. 25th
Die zur Verbrennung des Phosphors verwendete, vorgetrocknete Luft besitzt vorzugsweise einen Wassergehalt vonThe pre-dried air used to burn the phosphorus preferably has a water content of
• 0,3 bis 0,1 g/m3 Luft.• 0.3 to 0.1 g / m 3 air.
Weiterhin hat"es sich als vorteilhaft erwiesen, als Wärmeträger bzw. im Kreislauf geführte Flüssigkeit Wasser ein- · zusetzen. Die im Kreislauf geführte Flüssigkeit bzw. das Flüssigkeits-Dampfgemisch wird durch die Wärmeaufnahme im allgemeinen auf Temperaturen von 200 bis 400° C bei Drücken von 15 bis 90 bar erwärmt.Furthermore, "it has proven to be advantageous as a heat transfer medium or using the circulating liquid water. The circulating liquid or the The heat absorption generally increases the liquid-vapor mixture to temperatures of 200 to 400 ° C. at pressures heated from 15 to 90 bar.
COPY ORIGINAL INSPECTED COPY ORIGINAL INSPECTED
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Zur Vermeidung von Korrosion ist~es empfehlenswert, die Wände bzw. das Kühlsystem der Verbrennungskammer aus nichtrostendem Stahl nach DIN 17 440 zu fertigen. Die Wände der Verbrennungskammer können beispielsweise aus einer metallischen Rohrwand mit direkt verschweißten Rohren oder einer Flossenrohrwand oder einer Membranrohrwand bestehen.To avoid corrosion it is recommended that the Manufacture walls or the cooling system of the combustion chamber from stainless steel according to DIN 17 440. the Walls of the combustion chamber can, for example, be made of a metallic pipe wall directly welded to it Tubes or a fin tube wall or a membrane tube wall exist.
Die bei der Verbrennung des Phosphors entstehenden Phos- " phorpentoxiddämpfe verlassen die Verbrennungskammer normalerweise mit einer Temperatur von 300 bis 1000° C. Sie können entweder kondensiert oder zu Phosphorsäure weiterverarbeitet werden.The phos- " Phosphorus pentoxide vapors usually leave the combustion chamber at a temperature of 300 to 1000 ° C. They can either be condensed or processed into phosphoric acid.
.15 Zwei beispielhafte Ausführungsformen von Vorrichtungen, welche sich zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung bewährt haben, sind in der Zeichnung als Figur 1 und 2 dargestellt..15 Two exemplary embodiments of devices which can be used for carrying out the method of the invention have proven themselves are shown in the drawing as FIGS. 1 and 2.
Figur 1 zeigt im'wesentlichen die Verbrennungskammer zur. Verbrennung des gelben Phosphors, welche aus dem Schutzmantel mit Isolierung (1) für die metallische Rohrwand (2) besteht, wobei die einzelnen Rohre vertikal angeordnet sind. Die Verbrennungskammer ist weiterhin mit einer EinrichtungFigure 1 shows essentially the combustion chamber for. Burning of the yellow phosphorus, which comes from the protective jacket with insulation (1) for the metallic pipe wall (2) consists, with the individual tubes arranged vertically. The combustion chamber is also equipped with a device
(3) zur Zerstäubung des gelben Phosphors mit Luft ausge-. stattet, wobei die Luft über die Leitung (4) und 'der zuvor verflüssigte Phosphor über die Leitung (5) zugeführt werden. Im Inneren der Verbrennungskammer befindet sich eine Trennwand aus Rohren (6) zur Umlenkung der Verbrennungsgase bzw. der Phosphorpentoxiddämpfe, welche über die öffnung (7) und Leitung (8) abgezogen werden. Zur Aufnahme der Verbrennungswärme führen die einzelnen Rohre der Rohrwand (2) beispielsweise Wasser, welches teilweise verdampft. Die Trennung von Dampf und Wasser erfolgt im Abscheider (9), wobei der Dampf über die Leitung (10) abgezogen wird.(3) to atomize the yellow phosphorus with air. equips, the air via the line (4) and 'the previously liquefied phosphorus are supplied via the line (5). Inside the combustion chamber there is a partition made of pipes (6) to divert the combustion gases or the phosphorus pentoxide vapors, which are drawn off via the opening (7) and line (8). To accommodate the The individual tubes of the tube wall (2) carry heat of combustion, for example water, which partially evaporates. the Separation of steam and water takes place in the separator (9), the steam being drawn off via line (10).
GOPYGOPY
Nichtverdampftes Wasser kehrt über die Leitung (11) in ' die Rohrwand (2) zurück. Durch Verdampfung eingetretene ■ Wasserverluste werden durch Frischwasserzufuhr über die Leitung (12) mit Speisepumpe (13) ergänzt. 5Non-evaporated water returns in via line (11) 'back the pipe wall (2). ■ occurred through evaporation Water losses are supplemented by supplying fresh water via line (12) with feed pump (13). 5
Die Vorrichtung gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Figur 1 lediglich dadurch, daß die einzelnen Rohre der Rohrwand (2) horizontal gelagert .· :"- sind. .Dies bedingt einen Zwangsumlauf des Wassers, weleher durch die zusätzliche Umlaufpumpe (14) bewirkt wird.The device according to FIG. 2 differs from the device according to FIG. 1 only in that the individual pipes of the pipe wall (2) are mounted horizontally. · : "-. is effected.
Die technische Fortschrittlichkeit des erfinduhgsgemäßen' Verfahrens ist unverkennbar, da es bisher keine Möglichkeit zur Nutzung der bei Durchführung des Verfahrens entstehenden Reaktionswärme gab. Vorurteile hinsichtlich der ausreichenden Widerstandsfähigkeit der Werkstoffe der-Vorrichtung bei den zur Dampfbildung erforderlichen Kühltemperaturen in der Verbrennungskammer von über 100° C hielten den Fachmann davon ab, der Lösung des erfindungsgemäßen Problems näher zu treten. Nachdem unter den Verfahrensbedingungen der Erfindung überraschenderweise keine Belagsbildung an den Rohren der Rohrwand auftritt.und damit ■ ein guter Übergang der Reaktionswärme auf den flüssigen Wärmeträger, z. B. Wasser, gewährleistet ist, und andererseits eine Korrosion des Werkstoffes der Brennkammer auf- · grund der Verwendung vorgetrockneter Luft nicht in dem zu erwartenden Maße eintritt, weist die"Erfindung einen gangbaren Weg zur Herstellung von Phosphorpentoxid unter gleichzeitiger wirtschaftlicher Nutzung von bisher ungenutzter Energie.The technical progressiveness of the inventive ' The procedure is unmistakable, as there is currently no possibility of using the resulting from the implementation of the procedure Heat of reaction gave. Prejudices regarding the sufficient resistance of the materials of the device maintained at the cooling temperatures in the combustion chamber of over 100 ° C required for steam formation the person skilled in the art from getting closer to solving the problem according to the invention. After surprisingly no deposit formation under the process conditions of the invention occurs on the pipes of the pipe wall and thus ■ a good transfer of the heat of reaction to the liquid Heat transfer medium, e.g. B. water, is guaranteed, and on the other hand, corrosion of the material of the combustion chamber. because of the use of pre-dried air does not occur to the expected extent, the "invention has a feasible one Way to the production of phosphorus pentoxide with simultaneous economic use of previously unused Energy.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.The method according to the invention is carried out by the following Examples explained in more detail.
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Beispiel ΊExample Ί
In einer Verbrennungskammer mit Rohrwänden (2) aus nichtrostendem Stahl wurden pro Stunde 100 1 oder 170 kg elemehtarer, flüssiger, gelber Phosphor mit einer Temperatur von 75° C in Gegenwart von trockener Luft bei einem Druck von 6 bar verbrannt. Die bei der Verbrennung freiwerdende Reaktionswärme von 4 GJ/h wurde zu SO %. durch die Rohr-. . wände auf die Wärmeträgerflüssigkeit in Form von vollentsalztem und entgastem Wasser übertragen. Hierbei trat eine teilweise Verdampfung des Wassers ein. ·In a combustion chamber with pipe walls (2) made of stainless steel, 100 liters or 170 kg of elementary, liquid, yellow phosphorus were burned per hour at a temperature of 75 ° C. in the presence of dry air at a pressure of 6 bar. The heat of reaction of 4 GJ / h released during combustion became 50%. through the pipe. . walls are transferred to the heat transfer fluid in the form of fully demineralized and degassed water. Partial evaporation of the water occurred. ·
Das Wasser-/Dampfgemisch stieg durch die einzelnen Rohre (2) in ein Sammelrohr und dann in den Dampfabscheider .(9), in welchem eine Trennung von Dampf und Flüssigkeit statt- * fand. Der Dampfdruck im Abscheider wurde durch ein Druck- ·The water / steam mixture rose through the individual pipes (2) into a collecting pipe and then into the vapor separator. (9), in which a separation of vapor and liquid takes place. * found. The vapor pressure in the separator was determined by a pressure
regelventil in der Leitung (10) auf 20 bar gehalten und . _ der erzeugte Sattdampf in einer Menge von 1,1 t pro Stun-.de über die Leitung (10) abgezogen. Die flüssige Phase im Abscheider (9) wurde über die Umlauf leitung (11) und einemunteren Verteilerrohr den Steigrohren der Rohrwand (2) zugeführt. Damit war der Kreis des Flüssigkeitsumlaufs, bewirkt durch die Dichteunterschiede in dem Umlauf system, geschlossen.control valve in line (10) kept at 20 bar and . _ the generated saturated steam in an amount of 1.1 t per hour withdrawn via the line (10). The liquid phase in the separator (9) was via the circulation line (11) and a lower one Distributor pipe fed to the riser pipes in the pipe wall (2). With that the circle of the liquid circulation was effected closed by the density differences in the circulation system.
Durch eine am Abscheider (9) angebrachte "Niveauregelung war gewährleistet, daß das Kühlsystem stets mit ausreichend Wasser versorgt war, wobei Frischwasserzusätze über die Leitung (13) erfolgten. Der Brenner (3) war in der Verbrennungskammer nach unten angeordnet, wodurch der Abschnitt der Kammer in der Nähe des Brenners von Strahlungswärme beaufschlagt wurde. In diesem Teil wurden Wandtemperaturen zwischen 300 und 400° C gemessen. Im unteren Bereich der Brennkammer 'erfolgte eine Umlenkung der Verbrennungsgase um 180° , so daß Phosphorpentoxiddäm über den Abzug (7) verlassen konnten.By means of a "level control" attached to the separator (9) it was ensured that the cooling system was always supplied with sufficient water, with fresh water additives over the line (13) took place. The burner (3) was placed down in the combustion chamber, creating the section radiant heat was applied to the chamber near the burner. In this part were wall temperatures measured between 300 and 400 ° C. The combustion gases were deflected in the lower area of the combustion chamber by 180 °, so that Phosphorpentoxiddäm could leave via the trigger (7).
35· um 180° , so daß Phosphorpentoxiddämpfe die Brennkammer35 · by 180 ° so that phosphorus pentoxide vapors enter the combustion chamber
COPY ORiGfNAL INSPECTEDCOPY ORiGfNAL INSPECTED
Es wurde analog Beispiel 1 verfahren, wobei Jedoch die Rohre der Verbrennungskammer teilweise horizontal oder nur schwach steigend angeordnet waren. Außerdem wurde die Kreislaufführung des Wärmeträgers "Wasser in den Rohren mit Hilfe einer Pumpe aufrechterhalten und somit ein Zwangsumlauf des "Wassers geschaffen. " ""■ " ' '" ■ ·The procedure was as in Example 1, except that the tubes of the combustion chamber were partially horizontal or were arranged only slightly rising. In addition, the circulation of the heat transfer medium "Maintain water in the pipes with the help of a pump and thus created a forced circulation of the "water. "" "■" '' "■ ·
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